JP2009531696A - Improved SERRS base material - Google Patents
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Abstract
固体支持物質から成る多孔性3次元支持マトリクス上、またはマトリクス内にラマン増強表面を堆積することによって、改良型検体検出器において使用するための改良型SERRS基材が提供される。支持物質は、該体積内で分散されるラマン色素を有するように構成され、色素が、該体積内に分散され、該体積内で同様に分散されるラマン増強表面の非常に近くにある結果として、色素の照射に対する反応が増強される。試料内の検体の存在、不在、または量を検出する検出器構成内で使用するための、試験用試料を導入可能な反応担体が提供される。Depositing a Raman enhancing surface on or within a porous three-dimensional support matrix of solid support material provides an improved SERRS substrate for use in an improved analyte detector. The support material is configured to have a Raman dye dispersed within the volume, as a result of the dye being very close to the Raman enhancing surface that is dispersed within the volume and similarly dispersed within the volume. , The response to dye irradiation is enhanced. A reaction carrier is provided into which a test sample can be introduced for use in a detector configuration that detects the presence, absence, or amount of an analyte in the sample.
Description
本発明は、ラマン分光法、表面増強ラマン分光法、および表面増強共鳴ラマン分光法に関する。 The present invention relates to Raman spectroscopy, surface enhanced Raman spectroscopy, and surface enhanced resonance Raman spectroscopy.
検体分子の作用または存在を検出するための多くの技術があることは周知のことである。そのような技術の1つは、ラマン散乱(Raman Scattering;RS)効果を利用したものである。光が分子から散乱されると、光子のほとんどが、弾性的に散乱される。散乱光子の大部分は、入射光子と同じエネルギー(したがって、振動数および波長)を有する。しかしながら、小量の光(107光子中約1)は、入射光子と異なる振動数で散乱される。散乱光子が分子にエネルギーを失うと、入射光子よりも長い波長を有する(ストークス散乱と称される)。反対に、散乱光子がエネルギーを得ると、より短い波長を有する(アンチストークス散乱と称される)。ストークス散乱は、通常、より強い効果となる。 It is well known that there are many techniques for detecting the action or presence of an analyte molecule. One such technique utilizes the Raman Scattering (RS) effect. When light is scattered from the molecule, most of the photons are elastically scattered. Most of the scattered photons have the same energy (and therefore frequency and wavelength) as the incident photons. However, a small amount of light (about 1 in 10 7 photons) is scattered at a different frequency than the incident photons. When the scattered photon loses energy to the molecule, it has a longer wavelength than the incident photon (referred to as Stokes scattering). Conversely, when a scattered photon gains energy, it has a shorter wavelength (referred to as anti-Stokes scattering). Stokes scattering usually has a stronger effect.
この非弾性散乱をもたらすプロセスは、1928年に初めてこれを説明したSir C.V.Ramanからとって、ラマン効果と称される。これは、分子の振動、回転、または電子エネルギーの変化に関連し、光子から分子へ伝達されるエネルギーは、通常、熱として放散される。入射光子とラマン散乱光子との間のエネルギー差は、散乱分子の振動状態の、または電子遷移のエネルギーに等しく、入射レーザーとの量子化エネルギー差における散乱光子を生じさせる。散乱光の強度対エネルギーまたは波長差をプロットしたものは、ラマンスペクトルと称され、その技術は、ラマン分光法(Raman Spectroscopy;RS)として知られている。 The process leading to this inelastic scattering was first described in 1928 by Sir C.C. V. From Raman, it is called the Raman effect. This is related to molecular vibrations, rotations, or changes in electronic energy, and the energy transferred from the photon to the molecule is usually dissipated as heat. The energy difference between the incident photon and the Raman scattered photon is equal to the energy of the vibrational state of the scattered molecule or of the electronic transition, resulting in a scattered photon in the quantization energy difference with the incident laser. A plot of scattered light intensity versus energy or wavelength difference is referred to as a Raman spectrum and the technique is known as Raman Spectroscopy (RS).
表面増強ラマン分光法(Surface Enhanced Raman Spectroscopy;SERS)は、RS分析技術の変形例である。分子が特定の金属表面と物理的に近接する場合、この分子と金属の表面電子(プラズモン)との間のさらなるエネルギー伝達によって、ラマン信号の強度は、膨大に増加する可能性がある。SERSを施行するために、検体分子は原子的粗面化金属表面を備える基材(substrate)上に吸収され、増強ラマン散乱が検出される。また、SERSは、基材として、溶液中の銀コロイドを使用しても施行可能である。 Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) is a variation of the RS analysis technique. When a molecule is in physical proximity to a particular metal surface, further energy transfer between the molecule and the surface electrons (plasmons) of the metal can greatly increase the intensity of the Raman signal. In order to perform SERS, analyte molecules are absorbed on a substrate with an atomically roughened metal surface and enhanced Raman scattering is detected. Moreover, SERS can be enforced even if it uses the silver colloid in a solution as a base material.
数オングストロームの金属表面内の分子またはイオンからのラマン散乱は、溶液中の103〜106倍大きい可能性がある。近可視波長に対し、SERSは、銀上で最強であるが、金および銅上でも容易に観察され得る。最近の研究は、種々の他の遷移金属もまた、有用なSERS増強を提供し得ることを示している。多量の自由表面電子を有する金属である、いわゆる自由電子金属は、概して、SERS増強を提供する。さらに、いわゆる金属ポリマーもまた、使用可能である。これらは、金属に似た挙動をする、電子構造を有する有機ポリマーである。金属という用語は、金属素子あるいは金属混合物または合金に制限されるものではなく、当業者が金属であると理解し得る任意の物質に適用可能であることを理解されるであろう。そのようなSERS増強を提供する物質は、以降ラマン増強表面またはラマン増強金属と称される。 Raman scattering from molecules or ions in metal surfaces of several angstroms can be 10 3 to 10 6 times greater in solution. For near visible wavelengths, SERS is strongest on silver but can also be easily observed on gold and copper. Recent studies have shown that a variety of other transition metals can also provide useful SERS enhancement. So-called free electron metals, which are metals with large amounts of free surface electrons, generally provide SERS enhancement. Furthermore, so-called metal polymers can also be used. These are organic polymers with electronic structures that behave like metals. It will be understood that the term metal is not limited to metal elements or metal mixtures or alloys, but is applicable to any material that can be understood by a person skilled in the art to be a metal. Materials that provide such SERS enhancement are hereinafter referred to as Raman-enhanced surfaces or Raman-enhanced metals.
本質的に、SERS効果は、分子と金属表面近傍の電磁場との間の共鳴エネルギー伝達である。励起レーザーの電気ベクトルは、金属表面内に双極子を誘導し、その復元力がこの励起の共鳴振動数における振動電磁場となる。この共鳴強度および振動数は、主に、いわゆるプラズモン波長を決定する金属表面の自由電子(「プラズモン」)と、金属およびその環境の誘電率とによって決定される。表面上またはそのごく近くで吸収される分子は、非常に大きな電磁場を経験し、この電磁場は、表面に垂直である振動モードへの結合が、最も著しく増強する。これは、表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance;SPR)効果であって、表面近傍のプラズモンと分子との間の空間を介したエネルギー伝達を可能にする。エネルギー伝達効率は、レーザー波長と金属のプラズマ波長との間の良好な一致に依るため、表面プラズモン共鳴の強度は、入射光の波長および金属表面の形態を含む、多くの要因に依存する。 In essence, the SERS effect is a resonant energy transfer between a molecule and an electromagnetic field near the metal surface. The electric vector of the excitation laser induces a dipole in the metal surface, and its restoring force becomes an oscillating electromagnetic field at the resonance frequency of this excitation. This resonance intensity and frequency is mainly determined by the free electrons (“plasmons”) on the metal surface that determine the so-called plasmon wavelength and the dielectric constant of the metal and its environment. Molecules that are absorbed on or very close to the surface experience a very large electromagnetic field, which is most significantly enhanced in coupling to vibrational modes that are perpendicular to the surface. This is a surface plasmon resonance (SPR) effect that allows energy transfer through the space between plasmons and molecules near the surface. Since energy transfer efficiency depends on a good match between the laser wavelength and the plasma wavelength of the metal, the intensity of the surface plasmon resonance depends on many factors, including the wavelength of the incident light and the morphology of the metal surface.
電磁場の強度および局所密度は、種々のパラメータによって決定される。反射光の波長は、そのエネルギーを決定し、金属の組成および形態は、表面プラズモンが光子エネルギーと結合する強度および効率を決定する。また、金属および検体溶液の相対誘電特性等の他の要因も、その効果に大きく寄与する。加えて、金属表面に近傍の電磁場と任意の分子との間のエネルギー伝達効率もまた、例えば、赤外スペクトル領域の特定振動モードおよび紫外線の電子エネルギー遷移を含む、分子自体の共鳴エネルギー状態によって決定される。これは、SERRSが従来のSERSよりも優れた性能を得るメカニズムである。SERRSは、発色団部分を使用して施行され、エネルギー伝達にさらなる分子共鳴寄与を提供することが可能である。 The strength and local density of the electromagnetic field is determined by various parameters. The wavelength of the reflected light determines its energy, and the composition and morphology of the metal determines the intensity and efficiency with which surface plasmons combine with the photon energy. Other factors such as the relative dielectric properties of the metal and analyte solution also contribute significantly to the effect. In addition, the energy transfer efficiency between the electromagnetic field near the metal surface and any molecule is also determined by the resonance energy state of the molecule itself, including, for example, specific vibrational modes in the infrared spectral region and the electronic energy transition of ultraviolet light. Is done. This is the mechanism by which SERRS obtains better performance than conventional SERS. SERRS can be performed using a chromophore moiety and provide an additional molecular resonance contribution to energy transfer.
共鳴ラマンピークの強度は、分子の散乱断面積の2乗に比例する。そして、散乱断面積は、遷移双極子モーメントの2乗に関連し、したがって、通常、吸収スペクトルに従う。入射光子が、その吸光度スペクトル内の吸収ピークに近いエネルギーを有する場合、散乱事象が生じると、分子はより励起状態となる可能性があり、それによって、アンチストークス信号の相対強度が増す。表面と共鳴増強効果との組み合わせは、SERRSが、膨大な信号増強、典型的には、従来のラマン分光法の109〜1014倍を提供可能であることを意味する。 The intensity of the resonance Raman peak is proportional to the square of the scattering cross section of the molecule. And the scattering cross section is related to the square of the transition dipole moment and therefore usually follows the absorption spectrum. If the incident photon has an energy close to the absorption peak in its absorbance spectrum, a scattering event can cause the molecule to become more excited, thereby increasing the relative strength of the anti-Stokes signal. The combination of surface and resonance enhancement effect means that SERRS can provide enormous signal enhancement, typically 10 9 to 10 14 times that of conventional Raman spectroscopy.
ラマン散乱の共鳴増強に加え、最近、共鳴エネルギー伝達メカニズムによってラマン信号の強度を低減する、共鳴減衰について報告されている。特定条件下、着目する励起エネルギー状態にエネルギーが近い励起エネルギー状態が、ラマン散乱の低減が生じる可能性がある。この場合、ラマン強度は、断面積の合計の2乗に比例し、それらが異符号である場合、相殺的干渉が生じ、観察された共鳴減衰をもたらす。これは、ラマンベースの検出器システムにおいて使用するための代替測定基準を提供する。特定のラマン活性発色団からの信号は、この減衰効果を促進するレーザー振動数を使用して、ラマンスペクトルから選択的に除去され得る。 In addition to resonance enhancement of Raman scattering, resonance attenuation has recently been reported that reduces the intensity of the Raman signal by a resonant energy transfer mechanism. Under specific conditions, an excitation energy state whose energy is close to the target excitation energy state may cause a reduction in Raman scattering. In this case, the Raman intensity is proportional to the square of the sum of the cross-sectional areas, and if they are of opposite sign, destructive interference occurs, resulting in the observed resonance attenuation. This provides an alternative metric for use in Raman-based detector systems. Signals from specific Raman-active chromophores can be selectively removed from the Raman spectrum using laser frequencies that promote this damping effect.
表面増強ラマン分光法(SERS)、およびその外延である表面増強共鳴ラマン分光法(SERRS)は、定量的生物分析ツールとして注目を集めている。両技術は、金属表面における移動性の伝導電子の「プラズマ」(プラズモン)と、その表面近傍の分子種との間の相互作用に大きく依存する。この相互作用は、特定振動エネルギーにおけるラマン散乱の大きな増強をもたらし、ラマン散乱光における強力なスペクトル信号を生み出す。 Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and its extension, surface-enhanced resonance Raman spectroscopy (SERRS), are attracting attention as quantitative bioanalytical tools. Both techniques rely heavily on the interaction between the “plasma” of mobile conduction electrons (plasmons) on the metal surface and the molecular species near the surface. This interaction results in a large enhancement of Raman scattering at specific vibrational energy, producing a strong spectral signal in the Raman scattered light.
最近まで、増強メカニズムの理解をめぐって議論が行われていた。化学増強メカニズムと電磁増強メカニズムとの間の106を上回る増強係数の分配について、2つの主要分派の意見が分かれていた。現在は102の増強係数に寄与すると考えられている化学増強メカニズムは、電荷移動状態が、金属と吸着質分子との間に生成されることを主張する。このメカニズムは、部位特異的かつ検体依存性である。分子は、化学増強を経験するために、表面に直接吸収されなければならない。電磁増強メカニズムは、通常のラマン散乱よりも104倍を上回る増強に寄与する。電磁増強を理解するためには、表面のナノスケールの粗度特性の大きさ、形状、および物質を考慮しなければならない。的確な波長の光が金属粗度特性に衝打する場合、伝導電子のプラズマは、集団的に振動するであろう。この集団振動は、電子のプラズマ表面に局在するため、局所性表面プラズモン共鳴(Localized Surface Plasmon Resonance;LSPR)として知られている。LSPRは、共鳴波長を吸収および散乱させ、粗度特性の周囲に大きな電磁場を生成する。分子が電磁場内に置かれると、増強ラマン信号が測定される。 Until recently, discussions had been held over the understanding of the augmentation mechanism. The distribution of the enhancement factor of greater than 10 6 between the chemical enhancement mechanism and the electromagnetic enhancement mechanism, the two views of the major factions were divided. Chemopotentiating mechanism currently believed to contribute to the enhancement factor of 10 2, a charge transfer state claims be generated between the adsorbate molecules and metal. This mechanism is site specific and analyte dependent. Molecules must be absorbed directly onto the surface to experience chemical enhancement. Electromagnetic enhancement mechanism contributes to enhancement of more than 10 4 times greater than normal Raman scattering. In order to understand electromagnetic enhancement, the size, shape, and material of the surface nanoscale roughness properties must be considered. If the correct wavelength of light strikes the metal roughness characteristics, the conduction electron plasma will oscillate collectively. Since this collective vibration is localized on the plasma surface of electrons, it is known as Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR). LSPR absorbs and scatters resonant wavelengths and creates a large electromagnetic field around the roughness characteristics. When a molecule is placed in an electromagnetic field, an enhanced Raman signal is measured.
本発明者らは、ラマン散乱効果は、表面増強ラマン散乱(Surface Enhanced Raman Scattering;SERS)を使用しても、通常散乱と比較して、小量のラマン散乱放射しか提供しない(効果的にはSN比が小さい)ことが問題であると理解する。さらに、ラマン信号がノイズと比較して弱いため、ノイズからラマン信号を区別する助けとなるメカニズムを導入する必要性があることを理解する。 The inventors have found that the Raman scattering effect provides only a small amount of Raman scattered radiation compared to normal scattering (effectively, using Surface Enhanced Raman Scattering; SERS). Understand that the small signal-to-noise ratio is a problem. Further, it will be appreciated that because the Raman signal is weak compared to noise, there is a need to introduce a mechanism that helps distinguish the Raman signal from noise.
検体分子の拡散経路長を減少することが、バイオセンサ検定の速度に劇的効果を有し得ることを理解する。故に、広義において、本発明は、分光技術を使用して試験される試料の拡散経路長を減少する構成を提供する。 It will be appreciated that reducing the diffusion path length of analyte molecules can have a dramatic effect on the speed of the biosensor assay. Thus, in a broad sense, the present invention provides an arrangement that reduces the diffusion path length of a sample that is tested using spectroscopic techniques.
本発明は、参照を目的とされる請求項において定義される。 The invention is defined in the claims for reference.
本発明の実施形態は、固体支持物質から成る多孔性3次元支持マトリクス上または内にラマン増強表面を堆積することによって生成される、反応領域内に位置するラマン増強体積を有する、改良型検体検出器を提供する。支持物質は、該体積内で分散される色素を有するように構成され、色素が、体積内に分散され、該体積内で同様に分散されるラマン増強表面に非常に近い結果として、色素照射に対する反応が増強される。 Embodiments of the present invention provide improved analyte detection having a Raman enhanced volume located within a reaction region generated by depositing a Raman enhanced surface on or within a porous three-dimensional support matrix of solid support material Provide a bowl. The support material is configured to have a dye dispersed within the volume, the dye being dispersed within the volume, and as a result of being very close to the Raman-enhanced surface that is similarly dispersed within the volume, against dye irradiation. The response is enhanced.
試験用試料が導入される検体検出器において使用するための反応担体は、体積を画定する固体支持物質と、該体積内に分散および固定される金属/ラマン増強表面とを有する本発明に従って生成されてもよい。金属は、検体を検出可能にする色素に対し多孔性である、支持物質によって支持される。金属は、色素照射に対する光応答を増強するように構成される。 A reaction carrier for use in an analyte detector into which a test sample is introduced is produced in accordance with the present invention having a solid support material defining a volume and a metal / Raman enhanced surface dispersed and immobilized within the volume. May be. The metal is supported by a support material that is porous to the dye that makes the analyte detectable. The metal is configured to enhance the light response to dye irradiation.
記載される本発明の実施形態は、ラマン信号およびラマン分光法(特に、SERSおよびSERRS)におけるその適用に対し提供される改良点について言及するが、本発明は、任意の形態の分光法において使用されてもよく、信号強度における改良点が、色素照射の応答を増強させるような金属表面を使用して得られ得ることを理解されたい。これは、例えば、表面吸収蛍光、または金属表面への共鳴エネルギー伝達を伴う照射に対する任意の応答を含んでもよい。 Although the described embodiments of the present invention refer to improvements provided for Raman signals and their application in Raman spectroscopy (particularly SERS and SERRS), the present invention may be used in any form of spectroscopy. It should be understood that improvements in signal intensity may be obtained using metal surfaces that enhance the response of dye irradiation. This may include, for example, surface-absorbed fluorescence or any response to irradiation with resonance energy transfer to the metal surface.
発色団という用語は、当業者には周知であって、特定の光学特性を有する基を網羅するものとして本明細書で使用される。用語「色素」は、ラマン放射を放出可能であって、また、連結基または表面探究基等のある種の官能性を有する発色団を示す。そのような官能性は、例えば、金属表面探究基、または検体に結合することを可能とする基を追加することから生じ得る。発色団は、表面増強に好適な波長で励起レーザーを吸収するはずである(最も使用されるラマンレーザーは、514nm、532nm、および785nmである)。これは、赤緑可視領域内にあるため、従来の明るい有色の発色団は、特に良好なラマン活性色素の成分として認められる。 The term chromophore is well known to those skilled in the art and is used herein to cover groups having specific optical properties. The term “dye” refers to a chromophore that is capable of emitting Raman radiation and that has some functionality such as a linking group or surface exploration group. Such functionality can arise, for example, from the addition of metal surface probing groups or groups that allow binding to the analyte. The chromophore should absorb the excitation laser at a wavelength suitable for surface enhancement (most used Raman lasers are 514 nm, 532 nm, and 785 nm). Since this is in the red-green visible region, the conventional bright colored chromophore is recognized as a particularly good component of the Raman active dye.
検体は、検出または定量化を望まれる任意の化学物質である。好適な検体の実施例は、生体分子(蛋白質、抗体、核酸、炭水化物、プロテオグリカン、脂質、またはホルモン等)、薬剤または他の治療薬およびその代謝物、乱用薬物(例えば、アンフェタミン、アヘン剤、ベンゾジアゼピン、バルビツール酸塩、カンナビノイド、コカイン、LSD、およびその代謝物)、火薬(例えば、TNT、RDX、PETN、およびHMXを含む、ニトログリセリンおよびニトロトルエン)、および環境汚染物質(例えば、除草剤、殺虫剤)を含む。 An analyte is any chemical substance that is desired to be detected or quantified. Examples of suitable analytes include biomolecules (proteins, antibodies, nucleic acids, carbohydrates, proteoglycans, lipids, or hormones), drugs or other therapeutic agents and their metabolites, drugs of abuse (eg, amphetamines, opiates, benzodiazepines) , Barbiturates, cannabinoids, cocaine, LSD, and metabolites thereof), explosives (eg, nitroglycerin and nitrotoluene, including TNT, RDX, PETN, and HMX), and environmental pollutants (eg, herbicides, insecticides) Agent).
検体試料は、検体の存在または量の試験に望ましい任意の試料である。検体の存在、不在、または量の試験に望ましい多くの状況がある。実施例は、臨床用途(例えば、血液または尿試料等の生体分子試料内の抗原または抗体の存在を検出するため)、乱用薬物の存在の検出(例えば、不法試料、または体液または呼気試料等の生体分子試料内において)、火薬の検出、あるいは環境汚染物質の検出(例えば、液体、気体、土壌、または植物試料において)を含む。 An analyte sample is any sample that is desirable for testing the presence or amount of an analyte. There are many situations that are desirable for testing for the presence, absence, or quantity of an analyte. Examples include clinical applications (eg, to detect the presence of antigens or antibodies in biomolecular samples such as blood or urine samples), detection of the presence of drugs of abuse (eg, illegal samples, or fluid or breath samples) Detection of explosives, or detection of environmental pollutants (eg, in liquid, gas, soil, or plant samples).
検体自体を直接検出することに加え、着目検体の存在下で、そのラマン信号の検出可能な変化を生成することが可能なレポーター分子を使用することによって、間接的にそれらを検出することも可能である。これの実施例は、検体特異抗体の抗原結合部位からの色素標識ペプチドの変位であって、それによって、自由レポーター分子が遊離され、次いで、SERRS活性金属表面と相互作用可能となる。本発明者らの目的では、そのようなレポーター分子も「検体」としてみなされ得る。 In addition to directly detecting the analyte itself, it is also possible to detect them indirectly by using a reporter molecule that can generate a detectable change in its Raman signal in the presence of the analyte of interest. It is. An example of this is the displacement of the dye-labeled peptide from the antigen-binding site of the analyte-specific antibody, whereby the free reporter molecule is released and can then interact with the SERRS active metal surface. For our purposes, such reporter molecules can also be regarded as “analytes”.
典型的には、レポーター分子は、レポーター色素と、選択剤結合基と、金属表面結合基とを備えるであろう。レポーター分子は、選択剤に結合され(選択剤結合基によって)、したがって、検体試料が担体に導入される前は、レポーター色素は、金属表面から離れて保持される。検体の選択剤への結合は、レポーター分子を変位させ、レポーター分子は、次いで、金属表面に結合し(金属表面結合基によって)、それによって、レポーター色素を金属表面近傍の領域に移動させる。上述の用語「色素」は、レポーター分子に同等に適用する。 Typically, the reporter molecule will comprise a reporter dye, a selective agent binding group, and a metal surface binding group. The reporter molecule is bound to the selective agent (via the selective agent binding group), so that the reporter dye is held away from the metal surface before the analyte sample is introduced to the carrier. Binding of the analyte to the selection agent displaces the reporter molecule, which then binds to the metal surface (via the metal surface binding group), thereby moving the reporter dye to a region near the metal surface. The term “dye” described above applies equally to reporter molecules.
選択剤は、検体試料の他の成分の存在下、さらに検出方法が、試料内の検体の存在(または、量)を検出可能なように実行される条件下、検体に選択的に結合する任意の剤である。当然ながら、選択剤の性質は、検体の同一性に依存するであろう。多くの場合、選択剤は、抗体であるだろう。しかしながら、他の好適な検体結合パートナーを使用してもよい。例えば、検体が抗体である場合、選択剤は、抗原、または抗体によって選択的に結合される抗原誘導体であってもよい。検体が核酸である場合、選択剤は、核酸、または検体核酸に混成する核酸類似体であってもよい。 A selective agent is any agent that selectively binds to an analyte in the presence of other components of the analyte sample, and further under conditions such that the detection method is performed to detect the presence (or amount) of the analyte in the sample. It is an agent. Of course, the nature of the selective agent will depend on the identity of the analyte. In many cases, the selective agent will be an antibody. However, other suitable analyte binding partners may be used. For example, when the analyte is an antibody, the selection agent may be an antigen or an antigen derivative that is selectively bound by an antibody. When the sample is a nucleic acid, the selection agent may be a nucleic acid or a nucleic acid analog that is hybridized to the sample nucleic acid.
色素は、検体の導入に応じて、選択剤から離脱する必要はない。代わりに、選択剤は、色素が金属により近接する新しい位置に移動するように、検体の結合に応じて構成を変化させ、それによって、ラマン信号に対し増加をもたらしてもよい。また、最初は、SERRS信号を生成するために十分な金属表面の近接位置に色素を保持することも可能であるが、検出される検体の存在下で変位させてもよく、例えば、選択剤に結合させ、そして金属表面近傍のその位置から色素を変位させてもよい。この場合、放出されるラマン放射の増加よりも、その不在、存在、または量を判断可能にするラマン放射の減少が期待される。 The dye need not be removed from the selective agent upon introduction of the analyte. Alternatively, the selective agent may change configuration in response to analyte binding so that the dye moves to a new location closer to the metal, thereby resulting in an increase in the Raman signal. It is also possible to initially hold the dye close enough on the metal surface to generate a SERRS signal, but it may be displaced in the presence of the analyte to be detected, eg The dye may be displaced from its position near the metal surface. In this case, rather than an increase in the emitted Raman radiation, a decrease in the Raman radiation is expected that makes it possible to determine its absence, presence or amount.
検体自体が、本質的にラマン活性であってもよい。そのような実施形態では、色素は、検体と化学的に等しくてもよく、検体の存在、不在、または量は、そのラマン信号から直接判断可能である。したがって、用語「色素」は検体を含んでもよい。 The specimen itself may be essentially Raman active. In such embodiments, the dye may be chemically equivalent to the analyte, and the presence, absence, or amount of the analyte can be determined directly from its Raman signal. Thus, the term “dye” may include an analyte.
用語「抗体」は、抗体またはフラグメント(例えば、Fabフラグメント、Fdフラグメント、Fvフラグメント、dAbフラグメント、F(ab′)2フラグメント、単鎖Fv分子、またはCDR領域)、あるいは検体を選択的に結合し、検体の検出を可能にする抗体またはフラグメントの誘導体を含むものとして本明細書で使用される。 The term “antibody” selectively binds an antibody or fragment (eg, Fab fragment, Fd fragment, Fv fragment, dAb fragment, F (ab ′) 2 fragment, single chain Fv molecule, or CDR region), or analyte. As used herein to include derivatives of antibodies or fragments that allow detection of analytes.
一般に、色素の成分は、別個のリンカによって共に結合されることが予測される。当業者は、使用され得る多くの可能性のある好適なリンカがあることを理解されるであろう。リンカの同一性は、色素成分の同一性に依存することになる。選択剤結合基がペプチドを備える場合、リンカが従来のペプチド結合化学反応と適合する場合有利である。例えば、リンカは、好ましくは、ペプチドのN末端との反応のために単一カルボン酸基を備えてもよい。 In general, the components of the dye are expected to be bound together by separate linkers. One skilled in the art will appreciate that there are many possible suitable linkers that can be used. The identity of the linker will depend on the identity of the dye components. Where the selective agent binding group comprises a peptide, it is advantageous if the linker is compatible with conventional peptide bond chemistry. For example, the linker may preferably be equipped with a single carboxylic acid group for reaction with the N-terminus of the peptide.
ある状況では、使用される特定の成分に応じて、別個のリンカを使用せずに、例えば、色素の異なる成分の化学基間の反応によって、色素の2つ以上の成分を共に結合することが可能であってもよい。 In some situations, depending on the particular component used, two or more components of the dye may be joined together, for example, by reaction between chemical groups of different components of the dye, without using a separate linker. It may be possible.
色素成分は、任意の順番で共に結合されてもよいが、但し、色素がその金属表面結合基によって表面に結合される場合、色素は、金属表面近傍の領域内にある。 The dye components may be bonded together in any order, provided that the dye is in a region near the metal surface if the dye is bonded to the surface by its metal surface binding group.
色素の金属表面結合基は、(典型的には、吸収によって)金属表面に優先的に結合する基であるはずである。ある状況では、金属表面結合基を金属表面に結合することは、色素を金属表面に固定するために十分強固であることが望まれる場合がある。金属表面結合基の化学的性質は、使用される金属表面に依存するだろう。好適な銀結合官能基は、オキサゾール、チアゾール、ジアゾール、トリアゾール、オキサジアゾール、チアジアゾール、オキサチアゾール、チアトリアゾール、ベンゾトリアゾール、テトラゾール、ベンズイミダゾール、インダゾール、イソインダゾール、ベンゾジアゾール、またはベンズイソジアゾール等の複素環窒素を有する基を含む。他の好適な官能基は、アミン、アミド、チオール、硫酸塩、チオ硫酸塩、リン酸塩、チオリン酸エステル、水酸基、カルボニル、カルボン酸塩、およびチオカーバメートを含む。また、システイン、ヒスチジン、リジン、アルギニン、アスパラギン酸、グルタミン酸、グルタミン、またはアルギニン等のアミノ酸も銀結合を付与する。 The metal surface binding group of the dye should be a group that binds preferentially to the metal surface (typically by absorption). In certain situations, it may be desirable to bond the metal surface binding group to the metal surface to be strong enough to fix the dye to the metal surface. The chemical nature of the metal surface binding group will depend on the metal surface used. Suitable silver binding functional groups are oxazole, thiazole, diazole, triazole, oxadiazole, thiadiazole, oxathiazole, thiatriazole, benzotriazole, tetrazole, benzimidazole, indazole, isoindazole, benzodiazole, or benzisodiazole A group having a heterocyclic nitrogen, and the like. Other suitable functional groups include amines, amides, thiols, sulfates, thiosulfates, phosphates, thiophosphates, hydroxyl groups, carbonyls, carboxylates, and thiocarbamates. Amino acids such as cysteine, histidine, lysine, arginine, aspartic acid, glutamic acid, glutamine, or arginine also impart silver bonds.
反応担体という用語は、検出される検体が導入され、支持物質が位置する容器を定義するために使用される。 The term reaction carrier is used to define the container into which the analyte to be detected is introduced and where the support material is located.
次に、付随の図面を参照して、単なる例示として本発明の実施形態が説明される。 DETAILED DESCRIPTION Embodiments of the present invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying drawings.
記載される実施形態は、分光法で使用するための改良型基材を特色とする。本発明は、微粒子三次元支持物質内に分散される金属を使用して、SERSおよびSERRSの最適特性を有する基材を生成する。金属を溶液内の検体分子に物理的により近づけることによって、拡散経路長を減少し、検定時間の短縮を達成することが可能となると共に、所与の溶液体積内の検体分子にアクセス可能な利用可能金属表面積を増加する。加えて、ラマン照射レーザーは、2次元表面ではなく3次元体積をサンプリングし、信号強度だけではなく、集束等の工学的課題を解決する効果を有する。また、バイオセンサチップを支持する際の工学的制約も、それがセンサ性能に最も影響を及ぼす反応担体の寸法よりも、支持物質の性質であるため、幾分緩和され得る。 The described embodiment features an improved substrate for use in spectroscopy. The present invention uses a metal dispersed within a particulate three-dimensional support material to produce a substrate with SERS and SERRS optimal properties. By making the metal physically closer to the analyte molecules in the solution, the diffusion path length can be reduced, the assay time can be shortened, and the analyte molecules in the given solution volume can be accessed Increase possible metal surface area. In addition, the Raman irradiation laser samples a three-dimensional volume, not a two-dimensional surface, and has an effect of solving not only signal intensity but also engineering problems such as focusing. Also, the engineering constraints in supporting the biosensor chip can be somewhat relaxed because it is the nature of the support material rather than the dimensions of the reaction support that most affect sensor performance.
本発明の実施形態は、支持物質内の金属の一部を化学的に堆積することによって実現される。これによって達成され得るいくつかの効果は、増強感度、光解離性発色団の長期安定性、および大幅に減少した検定時間を含む。好ましい特性として、ラマン増強表面を形成する支持物質内に堆積される金属部分は、銀である。支持物質は、例えば、シリカフィルタ形態の固体であるが、これは必要条件ではなく、支持物質は、例えば、粉末またはガラス玉の形態であってもよい。支持物質の主要必要条件は、ラマン増強表面の反応担体内への固定を維持することである。 Embodiments of the present invention are realized by chemically depositing a portion of the metal in the support material. Some effects that can be achieved by this include enhanced sensitivity, long-term stability of the photolabile chromophore, and greatly reduced assay time. As a preferred property, the metal portion deposited in the support material that forms the Raman enhancing surface is silver. The support material is, for example, a solid in the form of a silica filter, but this is not a requirement and the support material may be, for example, in the form of powder or glass beads. The main requirement of the support material is to maintain the fixation of the Raman enhancing surface within the reaction support.
次に、ドイツ人化学者Bernhard Tollens(1841−1918)によって開発され、現在は彼の名前が付けられている、炭水化物の分析試験に基づいて、銀堆積化学反応を使用して改良型基材を生成する方法を説明する。当業者は、これは表面上に金属を堆積する唯一の手段ではなく、他の方法も本発明の範囲内であることを理解されるであろう。さらに、銀は、分光法においてラマン増強表面として使用されるための多くの望ましい特性を示すが、例えば、金および銅等の他の物質も使用可能であることを理解されるであろう。また、これらの金属の組み合わせの使用は、本発明の柔軟性における利点を暗示し得、それらは後述される。 Next, an improved substrate was developed using silver deposition chemistry based on an analytical test for carbohydrates, developed by German chemist Bernhard Tollens (1841-1918) and now named him. A generation method will be described. Those skilled in the art will appreciate that this is not the only means of depositing metal on a surface, and that other methods are within the scope of the present invention. In addition, although silver exhibits many desirable properties for use as a Raman enhancing surface in spectroscopy, it will be understood that other materials such as gold and copper can also be used. Also, the use of combinations of these metals can imply advantages in the flexibility of the present invention, which are described below.
Tollens反応は、多段階プロセスであって、アルデヒドのカルボン酸への酸化と、含水銀イオンの金属への還元とを伴う。初めに、水酸化ナトリウムと反応させることによって、硝酸銀から水酸化銀を調製する。 The Tollens reaction is a multi-step process that involves the oxidation of aldehydes to carboxylic acids and the reduction of mercury-containing ions to metals. First, silver hydroxide is prepared from silver nitrate by reacting with sodium hydroxide.
対象検体および利用可能支持物質の性質に依存する特定反応条件に応じて、ラマン増強表面(好ましくは、銀)は、マイクロからナノメートルスケールの粒子、粒子集団、支持物質上および支持物質内に存在する任意の孔隙内に堆積された粒子の懸濁を形成し得る。 Depending on the specific reaction conditions that depend on the analyte of interest and the nature of the support material available, Raman-enhanced surfaces (preferably silver) are present on micro to nanometer-scale particles, particle populations, support materials and within Can form a suspension of particles deposited in any pores that do.
上述のプロセスは、本発明による支持物質を生成する1つの方法にすぎない。例えば、支持構造上または内への銀コロイドの固定を含む、他の方法も採用可能である。 The process described above is only one way of producing the support material according to the invention. Other methods can also be employed including, for example, fixation of silver colloid on or in the support structure.
支持物質は、ガラスの光学特性を有するように選択される微粒子、多孔性、三次元支持マトリクスであることが好ましい。例えば、支持物質は、反応担体の一部を充填するガラス玉の形態であってもよい。特に、支持物質は、蛍光性(ラマンスペクトルに対し許容不可能な電磁場干渉を提供し得る)であるべきではなく、理想的には、非常に生体適合物質であって、色素からラマン信号を遮蔽し得るので、その独自、または少なくとも色素のラマン反応の振動数範囲内ではない、実質的ラマン信号に寄与すべきではない。これらの目的のため、シリカは理想的であるが、類似特性を有する他の物質も、本発明の範囲から逸脱することなく使用可能であることを理解されたい。支持物質を形成するために使用され得る他の物質の実施例は、セラミック、プラスチック、またはエアロゲルを含む。 The support material is preferably a particulate, porous, three-dimensional support matrix selected to have the optical properties of glass. For example, the support material may be in the form of glass beads that fill a portion of the reaction support. In particular, the support material should not be fluorescent (can provide unacceptable electromagnetic field interference to the Raman spectrum), ideally it is very biocompatible and shields the Raman signal from the dye As such, it should not contribute to a substantial Raman signal that is unique or at least not within the frequency range of the Raman response of the dye. For these purposes, silica is ideal, but it should be understood that other materials having similar properties may be used without departing from the scope of the present invention. Examples of other materials that can be used to form the support material include ceramic, plastic, or aerogel.
支持物質は、銀粒子が分散され得る体積を画定する。一実施形態では、銀粒子は、支持物質を備える個々の基材粒子の外側に堆積される。この実施例は、図11および12に見られ、体積を画定するシリカ基材粒子は、その上に堆積された銀粒子を有する。これは、銀粒子が、支持物質を備える粒子間の孔隙(111、121)内に存在することを意味する。さらなる実施例は、その上に堆積された銀を有するガラス玉の集合から成る支持物質である。隣接する玉間の空隙または孔隙、あるいは基材粒子は、多孔性であって、支持物質全体に固定される銀粒子を有する支持物質となる。 The support material defines a volume in which the silver particles can be dispersed. In one embodiment, the silver particles are deposited on the outside of the individual substrate particles that comprise the support material. This example can be seen in FIGS. 11 and 12, wherein the silica-based particles that define the volume have silver particles deposited thereon. This means that silver particles are present in the pores (111, 121) between the particles comprising the support material. A further example is a support material consisting of a collection of glass balls having silver deposited thereon. The voids or pores between adjacent balls, or the substrate particles are porous and become a support material having silver particles fixed to the entire support material.
支持物質を備える基材粒子自体が、色素に対し多孔性であって、その内部構造内に堆積された銀粒子を有する、追加実施形態が後述される。 Additional embodiments are described below in which the substrate particles themselves with the support material are porous to the dye and have silver particles deposited within their internal structure.
シリカ等の3次元多孔性物質は、平坦表面と比較して、より広域の内部表面積、したがって、分子吸収に利用可能なより広域表面を有する体積を提供する。また、平面表面上の点を照射する代わりに、入射レーザーは、物質内の体積を照射することによって、ラマンレーザーによって応答させられる表面積をさらに増加させる。これら両方の要因は、信号強度の結果として生じる改良に伴って、照射光線内のSERRS活性分子数の大幅な増加となる。 Three-dimensional porous materials such as silica provide a volume with a wider internal surface area and thus a wider surface available for molecular absorption compared to a flat surface. Also, instead of irradiating a point on a planar surface, the incident laser further increases the surface area that can be responded by the Raman laser by irradiating a volume in the material. Both of these factors result in a significant increase in the number of SERRS active molecules in the irradiated light with the improvements that occur as a result of signal intensity.
図8は、本発明を具現化するマイクロ流体SER(R)S検出器構成を示す。検出器構成は、色素を含有する反応担体と、レーザーの形態の照射源と、検出器とから構成される。その中に堆積された金属粒子を備えるシリカ等の3次元多孔性物質は、反応担体内に提供される。レーザーは、平面ではなく体積を応答させるため、試料上への正確な集束は重要ではなくなる。代わりに、図9に示されるように、レーザー光線は、錐体内に集束され、焦点を通過し、次いで、この地点を越えた錐体内に拡大するため、焦点の直前および直後の分子は、比較的強電磁場にある。理想的な場合では、焦点が平面表面にある場合と比較して、焦点がマトリクス内にある場合、強電磁場内の分子数は2倍となり、したがって、ラマン信号も2倍となるはずである。 FIG. 8 shows a microfluidic SER® detector configuration embodying the present invention. The detector configuration consists of a reaction carrier containing a dye, an irradiation source in the form of a laser, and a detector. A three-dimensional porous material such as silica with metal particles deposited therein is provided in the reaction support. Since the laser responds to the volume, not the plane, accurate focusing on the sample becomes less important. Instead, as shown in FIG. 9, the laser beam is focused into the cone, passes through the focal point, and then expands into the cone beyond this point, so that the molecules immediately before and after the focal point are relatively It is in a strong electromagnetic field. In the ideal case, the number of molecules in the strong electromagnetic field should be doubled and therefore the Raman signal should be doubled when the focus is in the matrix as compared to when the focus is on a planar surface.
平面金属表面は、鏡として作用してもよく、焦点前の分子は、増強EM電磁場(入射光線およびその反射の両方から)内にあるだろう。光線が建設的に干渉する場合、分子は、2倍の強度の電磁場内にあるだろう。ラマン強度は、電磁場強度の2乗に比例するため、2倍の電磁場内の分子は、ラマン信号を4倍放出する。しかしながら、分子の半分は、電磁場が破壊的に干渉する領域内にあるため、ラマン信号に対し寄与しないだろう。したがって、ラマン散乱強度は、全体として、反射面がない場合の2倍となるだろう。しかしながら、この信号は、2倍の電磁場内の分子から来るため、その結果、高率で光分解することになるだろう。光分解は、発色団が、光子誘発励起および後続の共有結合的修飾のため恒久的に損傷を受ける場合に生じる。励起一重項状態から励起三重項状態への遷移に応じて、発色団は、別の分子と相互作用し、不可逆的共有結合的修飾を生成する可能性が高い。三重項状態は、一重項状態に対し比較的に長寿命であって、それによって、励起分子の環境内の成分との化学反応時間を大幅に長くする。したがって、所与の表面積に対し、マトリクス内集束構成は、反射面と同一強度のラマン信号を提供可能であるが、発色団の低下した光分解率の効果を付与する。表面が非反射である場合、マトリクス構成は、増強信号を提供するであろう。 The planar metal surface may act as a mirror and the pre-focus molecules will be in the enhanced EM electromagnetic field (from both incident light and its reflection). If the light beam interferes constructively, the molecule will be in an electromagnetic field that is twice as strong. Since the Raman intensity is proportional to the square of the electromagnetic field intensity, molecules in the double electromagnetic field emit four times the Raman signal. However, half of the molecules will not contribute to the Raman signal because they are in the region where the electromagnetic field interferes destructively. Therefore, the Raman scattering intensity as a whole will be twice that without the reflective surface. However, this signal will come from molecules in the electromagnetic field twice as a result, and as a result, will be photodegraded at a high rate. Photolysis occurs when the chromophore is permanently damaged due to photon-induced excitation and subsequent covalent modification. In response to a transition from an excited singlet state to an excited triplet state, the chromophore is likely to interact with another molecule to produce an irreversible covalent modification. The triplet state is relatively long-lived relative to the singlet state, thereby significantly increasing the chemical reaction time with components in the environment of the excited molecule. Thus, for a given surface area, the in-matrix focusing configuration can provide a Raman signal with the same intensity as the reflective surface, but gives the effect of reduced photolysis rate of the chromophore. If the surface is non-reflective, the matrix configuration will provide an enhancement signal.
微粒子三次元支持マトリクスは、シリカフィルタフリットの形態であることが可能であって(図10の横断面に示される)、円形のシリカ粒間に数十マイクロメータの孔隙を備える多孔性構造を有する。化学的に堆積された銀のための支持表面として使用される場合、シリカ粒子は、図11および、図式的に図12に示されるように、粒子状金属銀で被膜される。 The particulate three-dimensional support matrix can be in the form of a silica filter frit (shown in the cross section of FIG. 10) and has a porous structure with tens of micrometers of pores between circular silica grains. . When used as a support surface for chemically deposited silver, the silica particles are coated with particulate metallic silver, as shown in FIG. 11 and schematically in FIG.
マトリクス孔隙111/121は、典型的には、全長約50〜80μmであって、拡散経路25〜40μmとなってもよい。典型的100kDa蛋白質検体に対し、これは、約30秒以内の99%結合となるであろう。3次元マトリクスは、マイクロ流体系の反応速度の利点を付与すると共に、同時に、レーザー集束上の緩和された必要条件のため、ミリメートル以上のスケールでの検出体積を可能にする。 The matrix pores 111/121 typically have a total length of about 50-80 μm and may have a diffusion path of 25-40 μm. For a typical 100 kDa protein analyte this would be 99% binding within about 30 seconds. The three-dimensional matrix provides the reaction rate advantage of microfluidic systems and at the same time allows detection volumes on the millimeter and higher scales due to relaxed requirements on laser focusing.
堆積された金属部分は、2つの形態を有する。第1の形態は、直径約250nmを有する略球状粒子の融合線状鎖である、図13に示されるフィラメント状ストランドを備える。これらのフィラメントは、図14に示されるように、数十〜数百ナノメートル径範囲のより小さい遊離粒子の第2の形態によって囲繞される。異なる方法から形成される他の形態も作用し得ることを理解されたい。 The deposited metal part has two forms. The first form comprises the filamentary strand shown in FIG. 13, which is a fused linear chain of substantially spherical particles having a diameter of about 250 nm. These filaments are surrounded by a second form of smaller free particles in the tens to hundreds of nanometer diameter range, as shown in FIG. It should be understood that other forms formed from different methods may also work.
図14は、約12nm〜約220nmの範囲の直径を有する510の略球状銀粒子を示す。この堆積を生成するために必要とされる方法は、Tollens反応混合物内にフィルタフリットを完全に浸漬することを伴う。 FIG. 14 shows 510 generally spherical silver particles having a diameter in the range of about 12 nm to about 220 nm. The method required to produce this deposit involves completely immersing the filter frit in the Tollens reaction mixture.
フリットが、反応混合物の表面上に浮遊可能である場合、銀粒子は、図15に示されるように、単位面積当たりの密度が非常に高い状態で堆積される。図15は高粒子表面密度(図14の510と比較して、図15では976)を呈するが、粒度分布を重ね合わせたプロット(図16)から分かるように、フィルタフリットの完全沈殿によって生成されるものと非常に類似した粒度分布を有する。フィルタフリットの部分沈殿は、方法1の約2倍の単位表面積当たり粒子を生成し、したがって、高ラマン信号を提供する。
If the frit can float on the surface of the reaction mixture, the silver particles are deposited with a very high density per unit area, as shown in FIG. FIG. 15 presents a high particle surface density (976 in FIG. 15 compared to 510 in FIG. 14) but is produced by complete precipitation of the filter frit, as can be seen from the superimposed particle size distribution (FIG. 16). Have a particle size distribution very similar to that of The partial settling of the filter frit produces about twice as many particles per unit surface area as in
2つの方法を使用してシリカフィルタ上、および平坦表面上で調製された粒子の例示的SERRSスペクトルが、図17に示される。すべての場合において、同一SERRS活性化合物が、濃度10−5M、積分時間1秒で使用された。濾過方法1は、フリットが反応混合物中に完全に沈殿した場合を示す。方法2は、フリットが表面上に浮遊可能である場合を示す。
An exemplary SERRS spectrum of particles prepared on a silica filter and on a flat surface using two methods is shown in FIG. In all cases, the same SERRS active compound was used at a concentration of 10 −5 M and an integration time of 1 second.
浮遊フリットを使用して調製された表面上の銀粒子数は約2倍であるが、SERRS信号は、方法1の約3倍である。これは、信号強度が、表面における粒子数に線形的に依存していないためである。粒子は、同一粒度分布をとるため、比例的でなく増加するSERRS信号は、単純に利用可能な銀表面の増加に起因することはあり得ず、粒子間の相互作用による余剰寄与因子を有しているはずであって、より高充填密度によってさらなるSERRS増強につながる。粒子は、その中の伝導電子の同期運動によって生成される電磁場を介して相互作用し、この相互作用は、粒子間の距離に依存すると概して認められている。
The number of silver particles on the surface prepared using the floating frit is about twice, while the SERRS signal is about three times that of
本発明のさらなる実施形態では、支持物質自体を備える基材粒子の構造内に銀粒子を堆積することによって、検体分子の平均的拡散経路長をさらに減少することが可能である。これは、支持物質が多孔性である場合に達成可能である。この場合における多孔性という用語は、物質を構成する粒子が検体を検出するために使用される色素に対し多孔性であるような径の孔を含有する物質を示す。本実施形態では、支持物質自体の粒子が孔隙または孔を有し、完全にアクセス可能な内部構造となる。 In further embodiments of the present invention, it is possible to further reduce the average diffusion path length of analyte molecules by depositing silver particles within the structure of the substrate particles comprising the support material itself. This can be achieved when the support material is porous. The term porous in this case refers to a substance that contains pores of a diameter such that the particles that make up the substance are porous to the dye used to detect the analyte. In this embodiment, the particles of the support material itself have pores or holes, resulting in a fully accessible internal structure.
マイクロ多孔性粒子から成る支持物質の良好な実施例は、細孔ガラス(CPG)であって、シリカから形成可能である。マイクロ多孔性は、孔が、約数ミクロンまたは数十ミクロン径を有するという事実を示す。CPGを生成する一方法は、ガラスの1つは、酸による腐食を受けるが、他は受けない、ガラス混合物の酸エッチングによるものである。その生成物は、完全にアクセス可能な内部構造を特徴とするガラス/シリカ物質であって、個々のシリカ粒子は、そこに接着する銀粒子の利用可能内部表面積を増加させる役割を果たす、ナノメートルスケールの孔隙を有する。そのような物質の実施例は、図18−21に示される。 A good example of a support material composed of microporous particles is pore glass (CPG), which can be formed from silica. Microporosity indicates the fact that the pores have a diameter of about a few microns or tens of microns. One method of producing CPG is by acid etching of a glass mixture where one of the glasses is subject to acid corrosion but not the other. The product is a glass / silica material characterized by a fully accessible internal structure, where individual silica particles serve to increase the available internal surface area of silver particles adhering thereto Has pores of scale. Examples of such materials are shown in FIGS. 18-21.
図18は、個々の粒子が確認可能なCPGの拡大図を示す。図19は、単一粒子の表面を示し、相互接続される多くの孔隙で特徴付けられ、完全にアクセス可能な内部構造を提供する表面が認められる。図20は、孔隙径(この場合、数百nm)を成すCPG粒子表面のより高拡大倍率図を示し、図21は、孔隙内に堆積され得る金属粒子を示す。CPG等の物質内での使用に好適な典型的金属粒径は、約50〜150nmである。 FIG. 18 shows an enlarged view of CPG in which individual particles can be confirmed. FIG. 19 shows the surface of a single particle, characterized by a number of interconnected pores and a surface providing a fully accessible internal structure. FIG. 20 shows a higher magnification view of the CPG particle surface with pore size (in this case several hundred nm), and FIG. 21 shows metal particles that can be deposited in the pores. A typical metal particle size suitable for use in materials such as CPG is about 50-150 nm.
CPGは、化学合成用支持マトリクスとして広く使用される。数段階の異なる粒径(CPGは、通常、微粒子粉末として扱われる)、孔隙径(典型的には、約100nm〜約1μm)、および表面誘導体化(表面への化学的付着を促進するための種々の官能基)が利用可能である。CPGは、広域内部表面積(最大100m2/g以上)を有し、化学的に不活性(その金属結合または粒子播種特性を向上させるために誘導体化されない限り)であって、さらにスペクトル干渉を生じ得る実質的ラマンピークを引き起こさないため、バイオセンサ支持マトリクスとして特に好適である。 CPG is widely used as a support matrix for chemical synthesis. Several stages of different particle size (CPG is usually treated as a fine particle powder), pore size (typically about 100 nm to about 1 μm), and surface derivatization (to promote chemical adhesion to the surface Various functional groups) can be used. CPG has a wide internal surface area (up to 100 m 2 / g or more) and is chemically inert (unless derivatized to improve its metal binding or particle seeding properties), further causing spectral interference. It is particularly suitable as a biosensor support matrix because it does not cause the resulting substantial Raman peak.
孔隙は、色素が侵入し、また、金属部分/粒子を収容するために十分な大きさであるべきである。典型的色素は、約1〜5nm、検体は、5〜100nmの径を有する。約50nm径の金属粒子を使用する場合、これは、孔隙径が約150nm以上であるべきであることを意味する。 The pores should be large enough for the dye to enter and to accommodate the metal parts / particles. Typical dyes have a diameter of about 1-5 nm and analytes have a diameter of 5-100 nm. If metal particles with a diameter of about 50 nm are used, this means that the pore size should be about 150 nm or more.
実施例として、銀ベースの基材を作製するための一方法は、CPG存在下Tollens反応を行うことである。アルデヒド、アルコール、またはカルボキシレート基によるCPGの表面誘導体化は、この方法に特に好適である。 As an example, one method for making a silver-based substrate is to perform a Tollens reaction in the presence of CPG. Surface derivatization of CPG with aldehyde, alcohol, or carboxylate groups is particularly suitable for this method.
本発明の全実施形態では、支持物質は、検出される検体に対し多孔性であり、検出化学反応(検体によるレポーター分子または色素の変位等)は、支持構造自体内で生じ得る。しかしながら、これは、本発明の必要条件ではない。支持物質は、検出される検体に応じて色素に対してのみ多孔性であって、検体または試料内の他の物質に対し多孔性でなくてもよい。他の物質は、検出に望ましくない、または照射される部分から離した方が望ましい試料内の任意のものを含み得る。実施例は、血液細胞、またはラマン信号を歪ませ得る化学物質を含み得る。検体は、支持物質の外部表面における色素を変位可能であって、次いで、色素は、支持物質内に拡散し、ラマン増強金属粒子と相互作用してもよい。最小必要条件は、支持物質が色素に対し多孔性であることである。さらに、基材粒子は、色素に対し多孔性であるが、検体試料内の他の物質に対しそうではなくてもよい。検体は、支持物質の外部表面、または支持物質内であるが、基材粒子外の色素を変位させることが可能であって、次いで、色素は、基材粒子内に拡散し、ラマン増強金属粒子と相互作用する。 In all embodiments of the invention, the support material is porous to the analyte to be detected and the detection chemical reaction (such as displacement of the reporter molecule or dye by the analyte) can occur within the support structure itself. However, this is not a requirement of the present invention. The support material is porous only to the dye depending on the analyte to be detected, and may not be porous to the analyte or other materials in the sample. Other materials may include anything in the sample that is not desirable for detection or that is desired to be separated from the irradiated part. Examples may include blood cells or chemicals that can distort the Raman signal. The analyte can displace the dye on the outer surface of the support material, which can then diffuse into the support material and interact with the Raman enhancing metal particles. The minimum requirement is that the support material be porous to the dye. Furthermore, the substrate particles are porous to the dye, but not to other substances in the analyte sample. The analyte can be on the external surface of the support material, or within the support material, but the pigment outside the substrate particles can be displaced, and then the dye diffuses into the substrate particles and Raman enhanced metal particles Interact with.
支持構造または基材粒子が色素に対してのみ多孔性である場合、検体は、支持物質または基材粒子の外部表面における選択剤から色素を変位させてもよい。次いで、色素は、支持物質または基材粒子内に拡散し、その中に分散される銀粒子と相互作用するであろう。当然ながら、検体もまた、色素自体である場合、別個の色素の必要はなく、支持物質または基材粒子は、検体自体に対し多孔性となるであろう。検体は、反応担体内に導入される場合、支持物質または基材粒子内に拡散し、銀粒子と相互作用するであろう。 If the support structure or substrate particle is porous only to the dye, the analyte may displace the dye from the selective agent on the outer surface of the support material or substrate particle. The dye will then diffuse into the support material or substrate particles and interact with the silver particles dispersed therein. Of course, if the analyte is also the dye itself, there is no need for a separate dye, and the support material or substrate particles will be porous to the analyte itself. When introduced into the reaction support, the analyte will diffuse into the support material or substrate particles and interact with the silver particles.
支持物質または基材粒子の孔/孔隙径は、物質全体のラマン増強粒子の分布と、色素が移動し、ラマン増強表面と相互作用するための移動距離とを制御する。その結果、支持構造全体の孔隙/孔径は、使用される色素の平均自由行程と同じオーダーの大きさであるはずである。必要とされる径は、図3に示される拡散係数から判断してもよい。 The pore / pore size of the support material or substrate particles controls the distribution of the Raman enhancing particles throughout the material and the distance traveled for the dye to move and interact with the Raman enhancing surface. As a result, the pore / pore diameter of the entire support structure should be on the same order of magnitude as the mean free path of the dye used. The required diameter may be determined from the diffusion coefficient shown in FIG.
孔隙内のラマン増強粒子の分布は、好ましい特性として、近傍金属粒子間の距離が、ラマン反応が検出される色素の平均自由行程と同じオーダーの大きさとなるようにあるべきである。 The distribution of Raman enhancing particles within the pores should preferably be such that the distance between neighboring metal particles is of the same order of magnitude as the mean free path of the dye at which the Raman reaction is detected.
広域内部表面積を有するCPG等の物質が使用される場合、分子が拡散し、粒子内の孔が100nmから最大10,000nmであり得るため、金属粒子と相互作用する距離は、大きくなる可能性がある。結晶化または堆積等の方法を使用して、そのような構造内に金属を堆積する場合、金属粒子の分布は、動径分布関数をとる。さらに構造内に進む程、色素と相互作用する金属粒子が少なくなる。しかしながら、色素もまた、類似方法で拡散し、したがって、色素分子の大部分が、高濃度金属粒子を有する領域に内に見られるであろう。 When a substance such as CPG having a large internal surface area is used, the distance that interacts with the metal particles can be large because the molecules diffuse and the pores in the particles can be from 100 nm up to 10,000 nm. is there. When depositing metal in such a structure using methods such as crystallization or deposition, the distribution of metal particles takes a radial distribution function. Further, as it moves into the structure, fewer metal particles interact with the dye. However, the dye also diffuses in a similar manner, so that the majority of the dye molecules will be found within the areas with high concentration of metal particles.
本発明による3次元多孔性支持は、レーザーによって照射される場合、2つのレベルの共鳴を経験する。第1に、個々の金属粒子によって経験される表面プラズモン共鳴である。加えて、誘電媒体(試料および支持物質)内に載置される金属から本質的に生じる大規模共鳴である。しかしながら、この第2の共鳴レベルは、光結晶構造内の共鳴と類似性を共有するが、支持構造内の金属粒子全体の拡散は均一ではなく、したがって、直接比較は困難である。 A three-dimensional porous support according to the present invention experiences two levels of resonance when illuminated by a laser. The first is surface plasmon resonance experienced by individual metal particles. In addition, it is a large-scale resonance that arises essentially from the metal placed in the dielectric medium (sample and support material). However, this second level of resonance shares similarities with resonances in the photonic crystal structure, but the diffusion across the metal particles in the support structure is not uniform and is therefore difficult to compare directly.
銀添CPG等、その中に分散および固定される金属を有する支持構造は、合理的推定(計算目的のみに対し)において、物理的に固定されたコロイド分散と同等であるとみなされてもよい。CPGおよび孔隙内の試料溶液は、懸濁内のコロイド粒子と同等であるCPG内部孔隙壁の内側を覆う金属ナノ粒子を有する誘電媒体に近似する。孔隙の寸法および孔隙壁上のナノ粒子の空間分散は、コロイド類似体の濃度を決定する。 A support structure having a metal dispersed and fixed therein, such as silver-doped CPG, may be considered equivalent to a physically fixed colloidal dispersion in a reasonable estimate (for calculation purposes only). . The sample solution in the CPG and pores approximates a dielectric medium with metal nanoparticles that line the inside of the CPG internal pore walls that are equivalent to colloidal particles in suspension. The pore size and the spatial dispersion of the nanoparticles on the pore wall determine the concentration of the colloid analog.
コロイド粒子の任意特性は、広範囲に研究されている。コロイドの吸収スペクトルは、Mie理論から計算可能である。小球状粒子に対しては、単位体積当たりN粒子の分散の吸光度Aは、Mie総和の双極子項のみに依存し、以下のように計算可能である。 The optional properties of colloidal particles have been extensively studied. The absorption spectrum of the colloid can be calculated from Mie theory. For small spherical particles, the absorbance A of the dispersion of N particles per unit volume depends only on the dipole term of the Mie sum and can be calculated as follows:
2πR<λ(ここで、Rは、粒径、λは、周囲媒体内の光の波長である)の制限下では、断面積は、以下のように表すことができる。 Under the restriction of 2πR <λ (where R is the particle size and λ is the wavelength of light in the surrounding medium), the cross-sectional area can be expressed as:
伝導電子(L)の平均自由行程に相当する径を有する金属粒子に対し、自由電子と粒子壁との衝突率は、かなりのものとなる。電子運動は、効果的に減衰され、金属の誘電特性の変化へとつながる。この表面効果を考慮するために、第2項を誘電関数の虚数部の計算に付加する必要がある。 For metal particles having a diameter corresponding to the mean free path of conduction electrons (L), the collision rate between the free electrons and the particle wall is considerable. Electron motion is effectively damped, leading to changes in the dielectric properties of the metal. In order to consider this surface effect, the second term needs to be added to the calculation of the imaginary part of the dielectric function.
上述したように、典型的な銀粒子は、本発明によって提供される支持物質上および内に分散され得る場合、直径数十ナノメートルである。銀中の電子の平均自由行程Lの一般的に許容される値は、約57nmである。銀、ガラス、および水(試料に近似)に対する複合誘電関数の波長依存値は、当技術分野においてよく知られている。これらのデータを使用して、銀添CPGのUV/可視吸収スペクトルが予測可能である。 As mentioned above, typical silver particles are tens of nanometers in diameter if they can be dispersed on and within the support material provided by the present invention. A generally acceptable value for the mean free path L of electrons in silver is about 57 nm. The wavelength dependent values of the composite dielectric function for silver, glass, and water (approximate to the sample) are well known in the art. Using these data, the UV / visible absorption spectrum of silver-added CPG can be predicted.
理論と実験結果との比較は、図25に示されるが、短波長における実験値吸光度は、予測値よりも低い。この差は、以下の形のGaussian関数を減算することによって容易に補正可能である。 Comparison between theory and experimental results is shown in FIG. 25, but the experimental absorbance at short wavelengths is lower than the predicted value. This difference can be easily corrected by subtracting a Gaussian function of the form
パラメータaは、単に、倍率である。パラメータbおよびcは、それぞれ、Gaussianピークの位置および幅を決定する。このGaussian関数を減算することによって、光学スペクトルに「ノッチ」フィルタを提供する効果を有する。この効果は、銀添CPGが、約334nmにおいてバンドギャップが排除された光結晶と同様に挙動する場合、合理化することが可能である。実験データは、公称波長532nm(真空中)のレーザーを使用して収集された。公称対見掛け波長の率(532/334)は、銀添CPG「光結晶」に対する有効屈折率1.593を提供する。この公称波長でのガラス、水、および銀の屈折率は、それぞれ約1.520、1.336、0.002である。したがって、銀添CPGは、その成分物質とは異なる特性を有するメタマテリアルとして作用している。 The parameter a is simply a magnification. Parameters b and c determine the position and width of the Gaussian peak, respectively. Subtracting this Gaussian function has the effect of providing a “notch” filter in the optical spectrum. This effect can be rationalized if the silver-doped CPG behaves like a photonic crystal with the band gap eliminated at about 334 nm. Experimental data was collected using a laser with a nominal wavelength of 532 nm (in vacuum). The nominal versus apparent wavelength ratio (532/334) provides an effective refractive index of 1.593 for the silver-doped CPG “photocrystal”. The refractive indices of glass, water, and silver at this nominal wavelength are about 1.520, 1.336, and 0.002, respectively. Accordingly, the silver-added CPG acts as a metamaterial having characteristics different from the component substances.
CPG内の銀粒子の幾何学的分散は、規則的結晶格子ではなく、したがって、光結晶を説明する従来の理論は必ずしも当てはまらない。しかしながら、孔隙径およびCPG構造内の孔隙間間隔によって主に決定される、粒子分散にある程度の局所的規則性がある。本状況は、粒子が均一誘電媒体によってではなく、試料(少なくとも、検出される色素、そして恐らく検体、および検出されない他の化学物質を含有する、不確定誘電特性をもった希釈水溶液)で充填された孔隙と、この場合、ガラスを備える孔隙間物質の組み合わせによって、離間されるという事実によってさらに複雑になる。このような物質の正確な誘電特性は、CPG孔隙の正確な形状および空間構成に大きく依存し、一般的分析説明を導出することは困難である。しかしながら、銀添CPGマトリクスの挙動は、有限要素解析またはメッシュフリー法等の数値的技術を使用して予測可能である。 The geometrical dispersion of silver particles within the CPG is not a regular crystal lattice, so conventional theories describing photonic crystals are not necessarily true. However, there is some local regularity in particle dispersion, which is mainly determined by the pore size and the pore gap spacing within the CPG structure. In this situation, the particles are not filled by a homogeneous dielectric medium, but by a sample (a dilute aqueous solution with uncertain dielectric properties containing at least the dye to be detected, and possibly the analyte, and other chemicals not detected). This is further complicated by the fact that they are spaced apart by a combination of open pores and, in this case, pore gap material comprising glass. The exact dielectric properties of such materials are highly dependent on the exact shape and spatial configuration of the CPG pores, and it is difficult to derive a general analytical explanation. However, the behavior of the silver-added CPG matrix can be predicted using numerical techniques such as finite element analysis or mesh-free methods.
したがって、検知物質の光学的挙動は、2つの基本的メカニズムによって決定される。第1の表面プラズモン共鳴は、金属粒子自体の径、組成、および形状によって、主に影響を受ける。第2の大規模共鳴は、支持マトリクスの組成および空間分布(それは、金属粒子が分散される空間分布および誘電環境を決定する)によって影響を受ける。金属粒子自体の光学特性は、上述の数学的技術を使用して予測可能である(それによって、合理的に設計される)。金属添マトリクス物質の光学特性は、構造の複雑性に応じて、分析または数値的アプローチによって決定可能である。支持物質および試料の異なる屈折率および誘電特性は、入射放射の最大吸光度を保証するために必要とされる金属粒子間の最適間隔を決定する。金属粒子の平均的間隔は、理想的には、入射放射の波長の半分であるが、しかしながら、波長は、放射が通過する物質に依存する。支持物質の壁厚に対する孔隙直径率は、好ましくは、孔隙を充填する溶液の屈折率と支持物質の屈折率との率に等しく、その場合、両物質における励起光子の実際の波長が同一となり得る。その結果、CPGメタマテリアル内の孔隙/壁構造の寸法は、好ましくは、孔隙を備える支持物質の体積と固体支持物質を備える体積との差を考慮して、加重平均として選択されるべきである。入射放射の波長の半分の倍数の金属粒子の間隔は、さらなる共鳴調波も提供するであろう。 Thus, the optical behavior of the sensing substance is determined by two basic mechanisms. The first surface plasmon resonance is mainly influenced by the diameter, composition, and shape of the metal particles themselves. The second large-scale resonance is affected by the composition and spatial distribution of the support matrix, which determines the spatial distribution and dielectric environment in which the metal particles are dispersed. The optical properties of the metal particles themselves can be predicted using the mathematical techniques described above (and thereby rationally designed). The optical properties of the metal-added matrix material can be determined by analytical or numerical approaches, depending on the complexity of the structure. The different refractive indices and dielectric properties of the support material and the sample determine the optimum spacing between the metal particles that is required to ensure the maximum absorbance of the incident radiation. The average spacing of the metal particles is ideally half the wavelength of the incident radiation, however the wavelength depends on the material through which the radiation passes. The pore diameter ratio with respect to the wall thickness of the support material is preferably equal to the ratio of the refractive index of the solution filling the pores to the refractive index of the support material, in which case the actual wavelength of the excitation photons in both materials can be the same. . As a result, the pore / wall structure dimensions in the CPG metamaterial should preferably be selected as a weighted average taking into account the difference between the volume of support material with pores and the volume with solid support material. . A spacing of metal particles that is a multiple of half the wavelength of the incident radiation will also provide additional resonance harmonics.
ラマン分光法で使用されるレーザーは、典型的には、焦点域約100μmを有するが、これは、500μmの大きさまで拡大してもよい。図18は、CPG粒子径が全長約100ミクロンであってもよいことを示す。したがって、本発明による支持物質は、その中に固定および分散される金属との多孔性構造を有する、単一基材粒子を含むことが可能であることを理解されたい。理想的には、多くの粒子は試料濃度を効果的に希釈するので、可能な限り少ない粒子が使用される。便宜的により多くの粒子を使用して、本発明を組み込む検出器の設計/構成を単純化してもよい。 Lasers used in Raman spectroscopy typically have a focal region of about 100 μm, but this may be expanded to a size of 500 μm. FIG. 18 shows that the CPG particle size may be about 100 microns in total length. Thus, it should be understood that the support material according to the present invention can comprise a single substrate particle having a porous structure with the metal fixed and dispersed therein. Ideally, as few particles as possible are used because many particles effectively dilute the sample concentration. For convenience, more particles may be used to simplify detector design / configuration incorporating the present invention.
典型的には、レーザーがラマン分光法で使用されるが、唯一の必要条件は、照射源が、指定波長を有する単色であることである。照射源がコヒーレントである必要はない。 Typically, lasers are used in Raman spectroscopy, but the only requirement is that the illumination source be a single color with a specified wavelength. The irradiation source need not be coherent.
孔隙径は、孔隙径が使用される光の波長と略同一である場合、光の照射に影響を及ぼし得る。光の波長よりも十分に小さい孔隙径を使用することによって、これらの課題は低減される。 The pore diameter can affect the light irradiation if the pore diameter is approximately the same as the wavelength of light used. By using a pore size that is sufficiently smaller than the wavelength of light, these challenges are reduced.
粒子径および形状は、その表面における伝導電子のプラズマ(プラズモン)との共鳴を介して、入射レーザーと結合する金属粒子の能力に劇的な影響を有する。これの実験的証拠は、図22に示される(2005年5月MRS Bulletin(30)のHaesらから抜粋)。 The particle size and shape have a dramatic effect on the ability of the metal particles to couple with the incident laser via resonance of the conduction electrons at the surface with the plasma (plasmons). Experimental evidence for this is shown in FIG. 22 (extracted from Haes et al., May 2005 MRS Bulletin (30)).
図22は、所与の径および形状の粒子で被覆された表面のUV/可視吸光度プロファイルを示す。UV/可視および赤外線領域の両方を網羅する、現在利用可能な最も完全なデータセットは、三角形粒子に対するものあって、以下の表に示される。 FIG. 22 shows the UV / visible absorbance profile of a surface coated with particles of a given diameter and shape. The most complete data set currently available, covering both the UV / visible and infrared regions, is for triangular particles and is shown in the table below.
この関係は、厳密には、三角形粒子のみに当てはまり、比較的に少数の実験データ点に基づいており、したがって、より多くの観察結果が利用可能であれば、その正確性は、非常に改良されるであろう。特に、その正確性は、実験的に観察された範囲から大幅に外れる幅と高さの組み合わせに対しては非常に低くなるであろう。しかしながら、これらの点を考慮し、種々の幅および高さの銀粒子に対する推定λmax値を予測することが可能である。図24のプロット内の暗色曲線は、一般的に使用される532nmレーザーへのより優れた結合を示す。 This relationship applies strictly to triangular particles and is based on a relatively small number of experimental data points, so if more observations are available, its accuracy is greatly improved. It will be. In particular, its accuracy will be very low for combinations of width and height that deviate significantly from the experimentally observed range. However, considering these points, it is possible to predict estimated λmax values for silver particles of various widths and heights. The dark curve in the plot of FIG. 24 shows better binding to the commonly used 532 nm laser.
図24は、観察された粒子系が、2次元平面アレイ粒子に関するため、幅および高さに対し対称的ではない。粒子場は、面外方向ではなく、表面の平面内において著しく相互作用し、したがって、「幅」は、粒子の面内寸法に、「高さ」は、平面に垂直なその径に関する。 FIG. 24 is not symmetrical with respect to width and height because the observed particle system relates to a two-dimensional planar array particle. The particle field interacts significantly in the plane of the surface, not in the out-of-plane direction, so “width” relates to the in-plane dimensions of the particle and “height” relates to its diameter perpendicular to the plane.
望ましくないことに、λmaxが532nmを上回る粒子幅(約100nm)が存在する。比較的狭い幅(<約50nm)の粒子は、λmaxに対し望ましくなく低い予測値を有する。約100nmを上回る粒子幅に対し、532nmレーザーによる共鳴の最適高は、(高さ≒25+0.42x幅)である。幅約75nmの粒子は、50nmを下回る最適高を有し、75nmを下回る幅の粒子は、532nm未満の準最適λmax値を有する。したがって、表面に付着される特定の径の粒子が、指定のレーザー波長に対し良好な光減衰を示すであろう寸法は狭い範囲となる。 Undesirably, there are particle widths (approximately 100 nm) with λmax greater than 532 nm. Particles of relatively narrow width (<about 50 nm) have an undesirably low predicted value for λmax. For particle widths greater than about 100 nm, the optimum height of resonance with a 532 nm laser is (height≈25 + 0.42 × width). Particles with a width of about 75 nm have an optimum height below 50 nm and particles with a width below 75 nm have a sub-optimal λmax value below 532 nm. Therefore, the size within which a particle of a particular size attached to the surface will exhibit good light attenuation for a specified laser wavelength is in a narrow range.
Tollens反応を使用する堆積によって形成される粒子は、ある範囲の異なる径を有し、これらの径は、フラクタル分散によって分散される。そのような範囲の径の利点の1つは、放射からの照射に対する色素の応答に増強を提供するために、適切な径を有する一定の割合の粒子が存在することが保証されることである。ラマン分光法では、これは、入射放射の波長に一致するプラズモン波長によって作用する。しかしながら、必要とされる径の粒子のみ基材の表面上に均一に分散される場合、表面増強ラマン効果をさらに増加させるだろう。銀コロイドを支持物質内に固定することによって達成可能である。これは、そのようなコロイド径が、堆積技術を通して生成される銀粒子よりも大幅に制御可能であるからである。 Particles formed by deposition using the Tollens reaction have a range of different diameters that are dispersed by fractal dispersion. One advantage of such a range of diameters is to ensure that there is a certain percentage of particles with the appropriate diameter to provide an enhancement in the response of the dye to radiation from radiation. . In Raman spectroscopy, this works with a plasmon wavelength that matches the wavelength of the incident radiation. However, if only particles of the required diameter are evenly dispersed on the surface of the substrate, the surface enhanced Raman effect will be further increased. This can be achieved by fixing the silver colloid in the support material. This is because such colloid diameter is much more controllable than silver particles produced through deposition techniques.
Tollens反応によって堆積された粒子が、a=b=観察直径である粒子に近似すると仮定すると、図24に示される粒度分布を有する母集団からの表面増強ラマン信号は、大部分は、粒子のわずか0.6%によってもたらされると推測可能である。この数は、1%未満とみなされる、いわゆる「ホットパーティクル」の実験的に観察された発生率と十分一致している。しかしながら、上述の最適値に近似する径を有する均一母集団は、ホットパーティクルの割合が非常に高く、その結果、所与の量の銀に対するラマン信号の著しい向上を呈することに留意されたい。 Assuming that the particles deposited by the Tollens reaction approximate particles with a = b = observed diameter, the surface enhanced Raman signal from the population with the size distribution shown in FIG. It can be inferred that it is brought about by 0.6%. This number is in good agreement with the experimentally observed incidence of so-called “hot particles” which are considered to be less than 1%. However, it should be noted that a uniform population having a diameter approximating the above-mentioned optimum value has a very high percentage of hot particles, resulting in a significant improvement in the Raman signal for a given amount of silver.
(理論的根拠の説明)
図1は、既知のマイクロ流体SER(R)Sセンサを示す。照射レーザーは、マイクロ流体チップ上のチャンバ内の平面銀表面上に集束され、それによって、画定される表面パッチをサンプリングする。この領域内の表面上に吸収される分子は、ラマンメカニズムによって光子を散乱し、一定の割合の散乱光は、スペクトルを記録する分光計に戻る。表面増強共鳴ラマン分光法(SERRS)に対し、ラマン散乱分子の吸光度ピークと一致する入射レーザーが選択され、それによって、ラマン信号を生成する効率が向上する。安価かつ容易に利用可能であるため、波長532nmのレーザーの使用が典型的である。
(Explanation of rationale)
FIG. 1 shows a known microfluidic SER® S sensor. The illumination laser is focused onto a planar silver surface in a chamber on the microfluidic chip, thereby sampling the defined surface patch. Molecules absorbed on the surface in this region scatter photons by the Raman mechanism, and a certain percentage of the scattered light returns to the spectrometer recording the spectrum. For surface enhanced resonance Raman spectroscopy (SERRS), an incident laser that matches the absorbance peak of the Raman scattering molecule is selected, thereby improving the efficiency of generating a Raman signal. The use of a laser with a wavelength of 532 nm is typical because it is inexpensive and readily available.
マイクロ流体系によって付与される重要な効果の1つは、関連分子の拡散経路長に匹敵する寸法の体積内での反応に物理的に制限することによる、反応時間の劇的減少である。 One of the important effects conferred by microfluidic systems is a dramatic reduction in reaction time by physically limiting the reaction to a volume in a dimension comparable to the diffusion path length of the relevant molecule.
液体媒体を通って拡散する分子の能力は、その拡散係数Dによって説明され、Stokes−Einsteinの式を使用して、以下のように予測可能である。 The ability of a molecule to diffuse through a liquid medium is explained by its diffusion coefficient D and can be predicted using the Stokes-Einstein equation as follows:
蛋白質は完璧な球形ではないが、その見掛けストークス半径は、実験的に判断可能である。典型的実施例は、以下の表に示される。 Proteins are not perfectly spherical, but their apparent Stokes radius can be determined experimentally. Exemplary examples are shown in the table below.
図2は、分子量に対しプロットされたストークス半径のプロットを示す。実験的に求められた点は、関係R=1.2719ln(分子量)−1.6908に従う対数曲線上にある。この式を使用して、Rの予測値をStokes−Einsteinの式において使用し、その分子量のみに基づく任意の蛋白質の拡散係数を予測することが可能である。分子量に対しプロットされた計算拡散係数を示すプロットは、図3に見ることができる。 FIG. 2 shows a plot of Stokes radius plotted against molecular weight. The experimentally determined point is on a logarithmic curve according to the relationship R = 1.27119ln (molecular weight) −1.6908. Using this equation, it is possible to use the predicted value of R in the Stokes-Einstein equation to predict the diffusion coefficient of any protein based only on its molecular weight. A plot showing the calculated diffusion coefficient plotted against molecular weight can be seen in FIG.
マイクロ流体系における典型的拡散制限時間スケール(tD)を予測するための一般的方法は、以下の式を使用する。 A general method for predicting a typical diffusion limited time scale (t D ) in a microfluidic system uses the following equation:
「典型的時間スケール」計算は、マイクロ流体バイオセンサが検定時間において多大な効果を付与することが可能であることを示すが、但し、反応の検知は、分子成分の拡散経路に匹敵する寸法を有する反応チャンバ内で実行される。しかしながら、この計算は、分子センサの表面における結合事象を伴う分子成分の減少を考慮しない。バイオセンサのより現実的モデルは、濃度勾配による粒子フラックスjに対する拡散のFickの第1法則を使用して求められ得る。 “Typical time scale” calculations show that microfluidic biosensors can have a significant effect on assay time, provided that reaction detection has dimensions comparable to the diffusion pathway of molecular components. It is carried out in a reaction chamber having. However, this calculation does not take into account the decrease in molecular components with binding events at the surface of the molecular sensor. A more realistic model of a biosensor can be determined using Fick's first law of diffusion for particle flux j due to a concentration gradient.
高さxおよび時間tにおける検体濃度は、c(x,t)として定義される。初期状態(t=0)は、c(x,t)=C0(初期濃度)を有し、結合壁における減少は、c(h,t)=0である(ここで、x=h)。その進行に伴って、結合反応が、結合壁に近接する検体の濃度を減少させる。これは、濃度勾配が形成され、経時的に、チャンバが検体分子の減少となるため、この壁方への検体分子の拡散フラックスを含む。 The analyte concentration at height x and time t is defined as c (x, t). The initial state (t = 0) has c (x, t) = C 0 (initial concentration), and the decrease in the coupling wall is c (h, t) = 0 (where x = h). . As it progresses, the binding reaction reduces the concentration of the analyte in proximity to the binding wall. This includes a diffusion flux of analyte molecules towards this wall, as a concentration gradient is formed and, over time, the chamber is depleted of analyte molecules.
計算は、図5に図式で示される2つの段階で行われる。段階1では、x=hである壁に近接する減少領域があって、チャンバの残りの部分からの分子の拡散によって継続的に補充される。段階2では、この減少領域は、チャンバ全体を含むまでに成長する。計算において使用されるさらなる推定の1つは、濃度勾配が線形プロファイルを有すると仮定することである。
The calculation is performed in two stages, shown schematically in FIG. In
第1のステップは、段階1に要する時間を計算することである。Fickの法則から、結合壁に対する拡散は、線形プロファイルを有すると仮定した、減少領域にわたる拡散勾配によって導出される。
The first step is to calculate the time required for
典型的100kDa蛋白質に対し、異なる高さのマイクロ流体反応チャンバの99%最大結合を達成するために要する時間は、計算可能であって、99%結合が生じる時間に対するチャンバ高のプロットは、図6に示される。 For a typical 100 kDa protein, the time required to achieve 99% maximum binding of microfluidic reaction chambers of different heights can be calculated, and a plot of chamber height versus time at which 99% binding occurs is shown in FIG. Shown in
図6のプロットは、両軸の数値域が数桁にわたるため、log−logスケールを使用する。約40μmを下回るチャンバ高に対し、結合は、数秒で完了する。40〜310μm間の高さに対し、99%結合は、数分で達成され、310μmを越える高さに対し、結合は数時間要する。典型的マイクロタイタープレートは、10時間を超える結合時間に対応する数ミリメートルの長さスケールを有するが、これは、プレートが、結合の間、プロセスを大幅に加速し得る振動または撹拌を受けないことを仮定する。 The plot of FIG. 6 uses a log-log scale because the numerical range of both axes spans several orders of magnitude. For chamber heights below about 40 μm, binding is complete in seconds. For heights between 40-310 μm, 99% bonding is achieved in minutes, and for heights above 310 μm, bonding takes several hours. A typical microtiter plate has a length scale of a few millimeters corresponding to a bonding time of over 10 hours, which means that the plate is not subject to vibration or agitation during bonding that can greatly accelerate the process. Assuming
典型的100kDa蛋白質の実施例の1時間にわたる計算された結合の時間経過が、異なるチャンバ高で図7に示される。長さスケールを減少する効果は、明白である。高さ1cmの「マクロスケール」に対し、5%結合未満は、1時間後に達成されるが、チャンバ高100μmでは、結合は約6分後に本質的に完了する。 The calculated time course of binding over an hour for an example of a typical 100 kDa protein is shown in FIG. 7 at different chamber heights. The effect of reducing the length scale is obvious. For a “macroscale” of 1 cm in height, less than 5% binding is achieved after 1 hour, but at a chamber height of 100 μm, binding is essentially complete after about 6 minutes.
Claims (47)
体積を画定するように構成された固体支持物質と、
該体積内に分散され、該支持物質によって支持された金属と
を備え、
該支持物質は、色素に対し多孔性であって、該金属は、該色素の照射に対する光応答を増強するように構成されている、反応担体。 A reaction carrier into which a test sample can be introduced for use in a detector configuration that detects the presence, absence, or amount of an analyte in the sample,
A solid support material configured to define a volume;
A metal dispersed within the volume and supported by the support material,
A reaction support, wherein the support material is porous to the dye and the metal is configured to enhance the light response to irradiation of the dye.
照射源と、
検出器と、
色素と
を備え、
該照射源は、指定波長の放射で該反応担体を照射し、検体の不在、存在、または量を示す照射に応じて、色素の不在、存在、または量を検出するように構成される、検出器構成。 A reaction carrier according to any one of claims 1 to 22, and
An irradiation source;
A detector;
A pigment and
The irradiation source is configured to irradiate the reaction carrier with radiation of a specified wavelength and to detect the absence, presence, or amount of a dye in response to irradiation indicative of the absence, presence, or amount of an analyte Container configuration.
反応担体内で、体積を画定するように構成された固体支持物質と、
該体積内に分散および固定され、該支持物質によって支持される金属とを提供するステップであって、該支持物質は、色素に対し多孔性であって、該金属は、該色素の照射に対する反応を増強するように構成される、ステップと、
色素を提供するステップと、
該反応担体を指定波長の放射で照射するステップと、
該色素からの照射に対する反応を検出し、検体の存在、不在、または量を示す色素の量を判断するステップと
を含む、方法。 A method for detecting the presence, absence or amount of a sample analyte in a reaction carrier comprising:
A solid support material configured to define a volume within the reaction support;
Providing a metal dispersed and fixed in the volume and supported by the support material, wherein the support material is porous to the dye and the metal reacts to irradiation of the dye A step configured to enhance, and
Providing a dye; and
Irradiating the reaction support with radiation of a specified wavelength;
Detecting a response to irradiation from the dye and determining an amount of the dye indicative of the presence, absence or amount of the analyte.
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